Ein schützendes Schild für empfindliche Katalysatoren

Hydrogele blockieren schädlichen Sauerstoff und schützen Katalysatoren vor Schäden.


Hydrogel schützt Katalysatoren

Abbildung: Ein neuartiges Hydrogel schützt Katalysatoren vor Sauerstoffmolekülen (rot), die den Katalysator irreversibel schädigen könnten. Es wandelt den Sauerstoff in unschädliches Wasser um (rot-weiß). [Bildquelle, Copyright: Felipe Conzuelo]



 

Ein internationales Forscherteam hat einen Weg gefunden, sensible Katalysatoren vor Schäden durch Sauerstoff zu schützen. Das könnte es in Zukunft ermöglichen, Wasserstoff-Brennstoffzellen mit Biomolekülen wie dem Enzym Hydrogenase oder molekularen Katalysatoren umzusetzen. Bislang wird dafür das seltene und teure Edelmetall Platin benötigt. In den Zeitschriften Angewandte Chemie und Journal of the American Chemical Society berichten die Forscher aus Bochum und Mülheim gemeinsam mit französischen Kollegen, wie ein Hydrogel als ein Schutzschild für Biomoleküle dienen kann [siehe Literatur-Hinweise unten].

 

Anforderungen an Katalysatoren sind schwer zu vereinen

Damit ein Katalysator sich für eine industrielle Nutzung eignet, muss er effizient, stabil und preisgünstig sowie für eine ganz bestimmte chemische Reaktion maßgeschneidert sein. "Diese Anforderungen in einem Molekül zu kombinieren ist eine große Herausforderung", sagt Dr. Nicolas Plumeré, Chemiker an der Ruhr-Universität Bochum. Ein neues Hydrogel, in das die Katalysatoren eingebettet werden, könnte die Entwicklung in Zukunft wesentlich leichter machen. Die Bochumer Forscher konzipierten die Arbeit gemeinsam mit Kollegen vom Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion in Mülheim sowie der Universität Aix Marseille und dem Centre National de la Recherche Scientifique (CNRS) in Frankreich.

 

Hydrogel wirkt als Lösungsmittel und schützende Umgebung

Für die Versuche arbeitete das deutsche Team mit dem Enzym Hydrogenase aus der Grünalge Chlamydomonas rheinhardtii; es spaltet Wasserstoff in Protonen und Elektronen. Normalerweise reichen kleinste Mengen Sauerstoff aus, um das Biomolekül irreversibel zu schädigen. Die Wissenschaftler bauten es jedoch in ein Hydrogel ein, das zwei Funktionen übernimmt: Es dient als Lösungsmittel und sorgt dafür, dass alle Reaktionspartner schnell und leicht zum Enzym gelangen. Gleichzeitig stellt es eine schützende Umgebung bereit, in der der Sauerstoff nicht zum Enzym vordringen kann, auch wenn er in relativ hohen Konzentrationen vorliegt. Der Trick: Bei der Arbeit der Hydrogenase entstehen Elektronen; sie wandern durch das Hydrogel und werden auf den Sauerstoff übertragen, wodurch dieser in eine unschädliche Form - nämlich in Wasser - umgewandelt wird.

 

Katalysatordesign könnte in Zukunft bedeutend einfacher werden

Mit Simulationen und Experimenten zeigte das deutsch-französische Team noch eine weitere wichtige Eigenschaft des Hydrogels. Die Aktivität einiger Katalysatoren lässt mit der Zeit nach; manche können über spezielle Prozesse wieder funktionstüchtig gemacht werden, für andere Katalysatoren gibt es keinen solchen Reaktivierungsmechanismus. Das Hydrogel schützt aber selbst solche Katalysatoren, für die es keinen Reaktivierungsprozess gibt. "In Zukunft muss man bei der Entwicklung von Katalysatoren für technische Anwendungen also nicht mehr auf ihre Robustheit oder passende Reaktivierungsprozesse achten", erklärt Olaf Rüdiger, Chemiker am Max-Planck-Institut für Chemische Energiekonversion. "Man kann sich einzig und allein darauf konzentrieren, die Aktivität des Katalysators zu maximieren. Das vereinfacht den Entwicklungsprozess sehr und eröffnet neue Möglichkeiten für die Herstellung von Brennstoffzellen."

 

Förderung

Die Deutsche Forschungsgemeinschaft förderte das Projekt im Rahmen des Exzellenzcluster RESOLV (EXC 1069). Das französische Teilprojekt wurde unterstützt von L´Agence Nationale de la Recherche und dem A*MIDEX-Projekt MicrobioE des Programms Investissements d´Avenir der französischen Regierung.





Weitere Infos:

Veröffentlicht am: 15.06.2015

Vincent Fourmond, Stefanie Stapf, Huaiguang Li, Darren Buesen, James Birrell, Olaf Rüdiger, Wolfgang Lubitz, Wolfgang Schuhmann, Nicolas Plumeré, Christophe Léger:
Mechanism of Protection of Catalysts Supported in Redox Hydrogel Films.
In: Journal of the American Chemical Society; online erschienen am 02. April 2015, DOI 10.1021/jacs.5b01194

Alaa Alsheikh Oughli, Felipe Conzuelo, Martin Winkler, Thomas Happe, Wolfgang Lubitz, Wolfgang Schuhmann, Olaf Rüdiger, Nicolas Plumeré:
Ein Redoxhydrogel schützt die O2-empfindliche [FeFe]-Hydrogenase aus Chlamydomonas reinhardtii vor oxidativer Zerstörung.
In: Angewandte Chemie; online veröffentlicht am 12. Juni 2015, DOI 10.1002/ange.201502776

Quelle: Ruhr-Universität Bochum








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